Využití velkoplošné vizualizace v neurovědách Jan Fousek Fakulta informatiky, Masarykova univerzita 3. června 2015
Osnova vizualizace výsledků analýzy experimentálních měření prohĺıžení velkoobjemových hrubých dat modelovací platforma The Virtual Brain Aneb proč jsem nadšený z toho, že SAGE2 je založený na webových technologíıch. 2 of 26
Experimentální data Magnetická rezonance (MRI) 3D strukturní, 4D funkční data nízké časové, vysoké prostorové rozlišení cca 100k voxelů, vz. f. 0.6 Hz Elektroencefalografie EEG skalpové, nebo intrakraniální elektrody vysoké časové, nízké prostorové rozlišení 30-200 kanálů, vz. f. 250 Hz - 20 khz 3 of 26
Analýza: výzkumné otázky Neurovědní příklady které části mozku se účastní dané kognitivní funkce jak se liší funkční konektivita pacientů s neurodegenerativním onemocněním Metodologické příklady jak z hrubých dat odstranit šum a artefakty jak uchopit a interpretovat multidimenzionální data a zodpovědět neurovědní otázky 4 of 26
Role SAGE: prezentace výsledků Problém mezioborových týmů lékaři, matematici, psychologové,... pro interpretaci výsledků nutná účast všech obtížné předat, jak jsme se od hrubých dat dostali ke konrétním výsledkům a co znamenají SAGE2 možnost prezentace všech kroků analýzy zároveň ipython notebook: efektivní prezentace, možnost interaktivity 5 of 26
Příklad: sít ová analýza Mozek jako komplexní sít uzly oblasti mozku, hrany funkční vazba umožňuje popsat strukturu vazeb v mozku Jednotlivé kroky korelace klidové aktivity mezi oblastmi vytvoření sítě a vypočtení metrik statistická analýza rozdílů mezi skupinami 6 of 26
Ukázka ipython notebooku... 7 of 26
Komplexní sítě: nejen neurovědy Silný metodologický aparát věrná reprezentace komplexních systémů identifikace důležitých uzlů, komunitní struktury,... dynamické procesy na síti, vývojové modely Řada aplikací biologie: proteinové interakce, genová exprese ekonomie: světová obchodní sít, dodavatelské řetězce, podnikové sítě sociologie: online sociální sítě, sciometrie 8 of 26
Komplexní sítě na SAGE Exploratorní analýza interaktivní práce se sítí výpočet popisných metrik vizualizace přímo na síti barva, velikost uzlů a hran SAGE umožňuje zobrazit větší sítě (prozatím) omezené možnosti interakce 9 of 26
Komplexní sítě: ukázka... 10 of 26
Vizualizace časových řad: motivace nová akviziční aparatura s vysokou vzorkovací frekvencí (až 22 khz, cca 250 kanálů) kontinuální záznamy (např. pacienti s epilepsíı) datové objemy v řádu jednotek TB vizuální kontrola stále nenahraditelný krok předzpracování interaktivní práce na jednom PC nemožná 11 of 26
Zvolený přístup: úrovně přibĺıžení Obecně: technika známá např. z obrazových dat (mapy) na základě rozlišení zobrazení a rozsahu výřezu se vybírá nejbližší redukovaná podoba podkladových dat Časové řady redukce pomocí maxima a minima zachovává extrémní hodnoty (artefakty) umožňuje odhadnout trendy 12 of 26
Ilustrace úrovní přibĺıžení... 13 of 26
Předzpracování Předpočítání redukce extrakce min/max hodnot při jednom průchodu souborem v porovnání s původním souborem pouze logaritmické navýšení velikosti Způsob uložení samostatný soubor dodatečný dataset v existujícím hdf5 souboru 14 of 26
Implementace Prototyp pro 4k displej diplomová práce proof of concept implementováno v Pythonu Nový SAGE: vznikne nová implementace založená na webových technologíıch samostatná aplikace + knihovna pro integraci do existujících aplikací 15 of 26
Simulace: The Virtual Brain Motivace: studium funkce lidského mozku pomocí matematických modelů neuronálních populací The Virtual Brain obsáhlá neuroinformatická platforma simulační jádro + webové GUI nástroje pro analýzu výsledků 16 of 26
TVB: sestavení simulace Stavební kameny simulace model lokální populační dynamiky a jeho parametry topologie a vlastnosti propojení neuronálních populací (konektivita) stimulus modely měřicích modalit (EEG, fmri) TVB obsahuje GUI pro nastavení komplikovaných vstupů a vizualizaci výstupů. 17 of 26
Lokální model: fázový portrét 18 of 26
Globální konektivita 19 of 26
Kortikální povrchová konektivita 20 of 26
EEG model 21 of 26
fmri model 22 of 26
SAGE pro prezentaci Detailní zobrazení všech aspektů simulace: vývoj stavových proměnných v jednotlivých uzlech 90 200.000 uzlů, jednotky až desítky proměnných signály s měřících modalit, sumarizační statistika Prezentace simulátoru jako takového opět problém interpretace v mezioborovém týmu současné zobrazení všech částí simulátoru výrazně usnadní vysvětlení jeho principů a ovládání 23 of 26
Shrnutí Vizualizační stěna s vysokým rozlišením nám umožní efektivnější spolupráci v mezioborových týmech při interpretaci výsledků komplexních analýz empirických dat prohĺıžet velkoobjemové EEG záznamy přehledně prezentovat komplexní simulační prostředí 24 of 26
Děkuji za pozornost 25 of 26
Zdroj obrázků Dokumentace The Virtual Brain: http://docs.thevirtualbrain.com/basic/ link_user_guide.html 26 of 26